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Víctor M. Acosta Guerrero
José Antonio Zambrano García
Departamento de Tecnología
I.E.S. Maestro Juan Calero
Tema 3. Circuitos eléctricos
Tema 3. Circuitos eléctricos
Tecnología 3º ESO
I.E.S. Maestro Juan Calero Página 1
Tema 2. Circuitos eléctricos.
1. INTRODUCCIÓN.
A lo largo del presente tema vamos a estudiar los circuitos eléctricos, para lo cual es
necesario recordar una serie de conceptos previos tales como la estructura atómica, la
carga eléctrica, y las magnitudes eléctricas básicas.
Una vez repasados estos conceptos básicos, estudiaremos los circuitos eléctricos, la
Ley de Ohm y el Efecto Joule, tras lo que podremos hacer problemas de resolución de
circuitos.
Puedes recurrir al siguiente enlace para ampliar tu conocimiento sobre los circuitos
eléctricos:
http://www.linalquibla.com/TecnoWeb/electricidad/electro_index.htm
2. ESTRUCTURA ATÓMICA.
El átomo es una agrupación más o menos compleja de partículas elementales
llamadas partículas subatómicas, entre las que destacan los protones (carga positiva), los
neutrones (sin carga) y los electrones (carga negativa). Estos últimos orbitan alrededor del
núcleo.
En estado de reposo, cada átomo posee el mismo número de protones que de
electrones. Como la carga de estas partículas es de igual valor pero de signo contrario, la
materia resulta eléctricamente neutra.
Si por algún procedimiento logramos extraer o añadir un electrón a la estructura de
un átomo, habremos modificado el equilibrio de cargas, por lo que la materia quedará
cargada positiva o negativamente. Se llama carga eléctrica de un cuerpo al exceso o
defecto de electrones que posee.
3. EL CIRCUITO ELÉCTRICO.
Definimos la corriente eléctrica como un desplazamiento de electrones a través de
un medio conductor. Para que pueda establecerse es necesario disponer de un circuito
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eléctrico. Un circuito eléctrico es por tanto un conjunto de elementos conectados entre sí
de manera que permiten la circulación de la corriente eléctrica. Los componentes
fundamentales de un circuito eléctrico son:
Generador. Es el encargado de transformar cualquier forma de energía en
energía eléctrica. Son ejemplos habituales las pilas, baterías, dinamos, etc...
Receptores. Son los encargados de transformar la energía eléctrica en otra
forma de energía más útil, como mecánica, luminosa o térmica. Estos elementos
son los motores, las lámparas y las resistencias respectivamente.
Conductores. Son los cables que unen los elementos del circuito y permiten la
circulación de la corriente, y suelen ser de cobre o aluminio. En la mayoría de los
casos se encuentran aislados por medio de un material plástico.
Elementos de maniobra o de control. Permiten controlar el paso de corriente
por el circuito o por los receptores. Destacan los interruptores, los conmutadores
y los pulsadores.
Elementos de protección. Protegen de sobrecargas a los elementos del circuito
y a los usuarios. El más sencillo es el fusible, aunque en circuitos más complejos
se utilizan interruptores magnetotérmicos y diferenciales.
Para representar circuitos eléctricos se emplea una simbología normalizada, que es
muy extensa. Los principales símbolos que emplearemos serán los siguientes:
Componente Símbolo
Pila
Batería
Conductor
Lámpara
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Resistencia
Motor
Altavoz
Interruptor
Conmutador
Pulsador
Fusible
4. MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS.
Las tres magnitudes fundamentales son la intensidad, la diferencia de potencial
(también llamada tensión o voltaje) y la resistencia.
4.1. Intensidad de corriente.
Es la cantidad de carga eléctrica (electrones), que atraviesa una sección de
conductor por unidad de tiempo.
Su unidad de medida es el Amperio (A). Un Amperio es la intensidad de corriente
que circula por un conductor cuando por éste circula una carga de un Culombio cada
segundo.
, donde:
𝑰 =𝑸
𝒕
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I = Intensidad de corriente (A).
Q = Carga eléctrica (C).
t = Tiempo (s).
El aparato encargado de medir la corriente eléctrica es el amperímetro, que se
conecta en serie con los demás elementos del circuito.
Es importante recordar que el sentido real de la circulación de electrones es desde el
polo negativo del generador (donde existe un exceso de electrones), hasta el polo positivo
(donde existe un defecto de estos). Sin embargo, en el sentido convencional, que es el
que se suele utilizar, los electrones circulan desde el polo positivo al negativo.
Ejemplo. Calcula la intensidad de corriente que circula por un conductor sabiendo
que se ha desplazado una carga de 4·10-4 C durante 20 s. Sol. 0,02 mA.
4.2. Diferencia de potencial.
Cuando dos cuerpos cargados eléctricamente se unen mediante un conductor, se
produce un flujo de electrones desde el que tiene mayor carga negativa, hasta el que la
tiene menor. Este flujo de electrones se mantiene hasta que el nivel de carga eléctrica de
ambos cuerpos se equilibra.
Esta diferencia de nivel de carga se llama diferencia de potencial, voltaje o tensión
eléctrica. Para que el flujo de electrones se mantenga de forma continuada, es necesario
mantener constante esta diferencia de potencial. El elemento encargado de esta misión
es el generador.
Para mantener la diferencia de potencial, el generador consume una determinada
cantidad de energía, a la que llamamos fuerza electromotriz. Tanto la fuerza electromotriz,
como la tensión eléctrica se miden en Voltios (V).
El aparato encargado de medir la tensión eléctrica es el voltímetro, que se conecta
en paralelo con los elementos del circuito.
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4.3. Resistencia eléctrica.
La mayor o menor facilidad de circulación de los electrones a través de un
determinado material dependerá de la estructura atómica de éste. A esto es a lo que se le
denomina resistencia eléctrica.
La resistencia eléctrica de un material es por tanto la magnitud que indica la mayor o
menor dificultad que ofrece éste para permitir el paso de la corriente eléctrica. Se
representa por medio de la letra R, y se mide en Ohmios ().
La resistencia depende de la longitud del conductor, de su sección y de la naturaleza
del material. A mayor longitud, mayor resistencia. A mayor sección, menor resistencia.
, donde:
R = Resistencia ().
𝜌 = Resistividad (·mm2/m). 𝜌cobre = 0,017 ·mm2/m. 𝜌aluminio = 0,028 ·mm2/m.
l = Longitud (m).
S = Sección (mm2).
Es conveniente recordar que para determinar la sección de un conductor a partir de
su diámetro o su radio, podemos emplear las siguientes expresiones:
Ejemplo. Calcula la resistencia de un conductor de cobre cuyo diámetro de 1,4 mm
se ha medido con un calibre, sabiendo que la longitud total del mismo es de 100 m. Sol.
1,13
Ejemplo. Determina la resistencia de un cable de aluminio, con las mismas
características del anterior. Sol. 1,86
𝑺 = 𝝅 · 𝑹𝟐 = 𝝅 ·𝑫𝟐
𝟒
𝑹 = 𝝆 ·𝒍
𝑺
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5. LEY DE OHM.
La Ley de Ohm es la relación matemática existente entre las magnitudes eléctricas
fundamentales. Se puede comprobar que si establecemos una diferencia de potencial
entre los extremos de un conductor, se producirá inmediatamente una corriente eléctrica a
través de él, cuyo valor dependerá de la resistencia que ofrezca el conductor.
La intensidad de corriente que circula por un conductor en un circuito cerrado es
directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la
resistencia del conductor.
, donde:
R = Resistencia ().
I = Intensidad (A).
U = Tensión (V).
Empleando la Ley de Ohm es fácil calcular cualquier magnitud eléctrica fundamental,
conociendo las otras dos.
Ejemplo. Calcula la resistencia de un conductor por el que circulan 0,36 A bajo una
tensión de 18 V. Sol. 50 .
Ejemplo. Por un conductor de 200 de resistencia circula una corriente de 0,1 A.
Calcula la tensión entre sus extremos. Sol. 20 V.
Ejemplo. Calcula la intensidad de corriente que circulará por un conductor de 100
de resistencia sobre el que se aplica una tensión de 12 V. Sol. 0,12 A.
6. ENERGÍA ELÉCTRICA. EFECTO JOULE.
La energía suministrada por un generador provoca la diferencia de potencial entre
sus bornes. Como consecuencia se produce un desplazamiento de cargas eléctricas a
través del circuito.
𝑰 =𝑼
𝑹
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A esta forma de energía se le denomina energía eléctrica. Para determinarla basta
con multiplicar la carga eléctrica que se desplaza por la diferencia de potencial que se
genera:
, donde:
E = Energía suministrada (J).
Q = Carga eléctrica (C).
U = Diferencia de potencial (V).
Si tenemos en cuenta que I = Q / t, implica que Q = I · t. Sustituyendo en la fórmula
anterior, determinamos la energía consumida por un receptor en un tiempo determinado,
de la siguiente forma:
, donde:
E = Energía suministrada (J).
I = Intensidad (A).
U = Diferencia de potencial (V).
t = Tiempo (s).
Según el tipo de receptor, la energía eléctrica se transforma en un tipo de energía o
en otra: mecánica, luminosa, química, etc... En el caso de las resistencias, la energía
eléctrica se disipa en forma de calor (esto en realidad ocurre en todos los elementos por
donde circula corriente eléctrica, por el hecho de poseer cierta resistencia). A este
fenómeno se le conoce con el nombre de Efecto Joule.
Para calcular la energía que se transforma en calor, de la Ley de Ohm podemos
deducir que U = I · R. Sustituyendo en la expresión anterior, tenemos:
, donde:
𝑬 = 𝑰𝟐 · 𝑹 · 𝒕
𝑬 = 𝑼 · 𝑰 · 𝒕
𝑬 = 𝑸 · 𝑼
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E = Energía suministrada (J).
I = Intensidad (A).
R = Resistencia ().
t = Tiempo (s).
Ejemplo. Calcula la energía necesaria para trasladar una carga de 104 C entre dos
puntos cuya diferencia de potencial es de 125 V. Sol. 1,25 J.
Ejemplo. Calcula la energía disipada por un calentador eléctrico conectado a una
tensión de 230 V por el que circula una corriente de 4 A durante 4 horas. Sol. 13.248 kJ.
7. POTENCIA ELÉCTRICA.
Si queremos comparar la capacidad de consumo de dos receptores diferentes, sin
tener en cuenta el tiempo de funcionamiento, tenemos que tener en cuenta la potencia
eléctrica. Se llama potencia eléctrica a la energía consumida por un receptor por unidad
de tiempo.
, donde:
P = Potencia eléctrica (W).
E = Energía consumida (J).
t = Tiempo (seg).
Teniendo en cuenta las fórmulas anteriormente expuestas:
P = E / t → P = (Q · U) / t → P = (U · I · t) / t, de lo que se deduce:
, donde:
P = Potencia eléctrica (W).
U = Tensión eléctrica (V).
I = Intensidad (A).
𝑷 = 𝑼 · 𝑰
𝑷 =𝑬
𝒕
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Otras posibles fórmulas para la potencia eléctrica se obtienen sustituyendo los
valores de U y de I por dichos valores despejados de la Ley de Ohm:
Ejemplo. Calcula la potencia de una lámpara conectada a la red de 230 V por la que
circula una corriente se 0,5 A. Sol. 115 W.
Ejemplo. En la placa de características de una estufa eléctrica se indica: U = 230 V y
P = 2.300 W. Calcula la intensidad de corriente que circula por ella, el valor de la
resistencia, y el coste de la energía consumida durante tres horas si el kWh cuesta 0,11 €.
Sol. 10 A. 23 . 1,012 €.
8. CÁLCULO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS.
La mayor parte de los circuitos no contiene un único receptor. En el caso de que
existan varios receptores, existen tres formas fundamentales para conectarlos: en serie,
en paralelo, o en montaje mixto.
8.1. Conexión en serie.
Dos o más elementos están conectados en serie cuando el final de cada uno de ellos
está unido con el principio del siguiente:
Los circuitos serie se caracterizan por lo siguiente:
𝑷 = 𝑰𝟐 · 𝑹
𝑷 =𝑼𝟐
𝑹
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Todos los elementos conectados en serie están atravesados por la misma
corriente eléctrica.
IT = I1 = I2 = I3
La tensión eléctrica entre los extremos de la asociación, es igual a la suma de
las caídas de tensión en cada uno de los elementos.
UT = U1 + U2 + U3
La resistencia equivalente de un grupo de resistencias en serie es igual a la
suma de las resistencias conectadas. Esto se desprende de la aplicación directa
de la Ley de Ohm:
UT = U1 + U2 + U3 = I1 · R1 + I2 · R2 + I3 · R3 → (Como IT = I1 = I2 = I3) →
IT · RT = IT · (R1 + R2 + R3) → UT = IT · RT, por tanto:
RT = R1 + R2 + R3
Ejemplo. En un circuito se conectan en serie tres resistencias de 18 , 9 y 6 . La
tensión aplicada a la totalidad del circuito es de 66 V. Dibuja el circuito y calcula la
resistencia equivalente, la intensidad de corriente y la caída de tensión en cada
resistencia. Sol. RT = 33 , IT = 2 A,U1 = 36 V, U2 = 18 V,U3 = 12 V.
8.2. Conexión en paralelo.
Dos o más elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando todos sus
orígenes se conectan a un mismo punto, y todos sus finales a otro.
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Los circuitos en paralelo se caracterizan por lo siguiente:
La intensidad de corriente que recorre el circuito es igual a la suma de las
intensidades que atraviesan cada uno de los componentes.
IT = I1 + I2 + I3
La diferencia de potencial es la misma entre los extremos de cada componente.
UT = U1 = U2 = U3
Si aplicamos la Ley de Ohm, determinaremos cuál es la resistencia equivalente
en una conexión en paralelo.
IT = I1 + I2 + I3 = U1 / R1 + U2 / R2 + U3 / R3 → (Como UT = U1 = U2 = U3) →
UT / RT = UT · (1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3), por tanto:
1 / RT = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3
Ejemplo. En un circuito se conectan en paralelo tres resistencias de 40 , 60 y
120 . La tensión aplicada a la totalidad del circuito es de 120 V. Dibuja el circuito y
calcula la resistencia equivalente, la intensidad de corriente y la tensión en cada
resistencia. Sol. RT = 20 , IT = 6 A, I1 = 3 A, I2 = 2 A, I3 = 1 A.
8.3. Circuitos mixtos.
Es un circuito en el que algunos elementos están conectados en serie, y otros en
paralelo. La estrategia para determinar la resistencia equivalente en este tipo de circuitos,
es deshacer primero las asociaciones en paralelo, para finalmente resolver las
asociaciones de elementos en serie.
Ejemplo. En un circuito se conecta una resistencia R1 = 3 en serie con dos
resistencias R2 = 6 y R3 = 4 . El conjunto del circuito está sometido a una tensión de
27 V. Dibuja el circuito y calcula la resistencia equivalente del circuito, y las intensidades y
caídas de tensión en cada resistencia. Sol. REQ = 5,4 , I1 = 5 A, V1 = 15 V, V2 = V3 = 12
V, I2 = 2 A, I3 = 3 A.
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Ejemplo. Se conectan en serie tres resistencias de 8 , 10 y 12 a una tensión
total de 60 V. Dibuja el esquema del circuito y calcula la resistencia equivalente, la
intensidad de corriente, y las caídas de tensión en cada resistencia. Sol. 30 , 2A, 16 V,
20 V y 24 V.
Ejemplo. Se conectan en paralelo dos resistencias de 6 y 3 a una tensión total
de 12 V. Dibuja el esquema del circuito y calcula la resistencia equivalente y la intensidad
de corriente que circula por cada resistencia. Sol. 2 , 2 A y 4 A.
Ejemplo. Dos resistencias de 60 y 40 se conectan entre sí en paralelo. El
conjunto se conecta en serie con otra resistencia de 26 . Calcula la resistencia
equivalente y las intensidades y tensiones parciales sobre cada una de las resistencias
cuando el conjunto se conecta a una tensión de 50 V. Sol. 50 , 0,4 A, 24 V, 0,6 A, 24 V,
1 A, 26 V.
